La modélisation numérique pour concevoir et prévoir
La modélisation numérique en construction navale - Modèles physiques, usages industriels, enjeux d'innovation

1 - La modélisation numérique pour concevoir et prévoir

• 1.1 - La simulation numérique, une technique généralisée
• 1.2 - La simulation numérique au service de la conception des navires
  Figure 1 - Les simulations numériques se généralisent dans l’industrie, dans certains cas, en bénéficiant des apports du calcul haute performance opéré par les supercalculateurs

2 - Méthode de dimensionnement en ingénierie navale

• 2.1 - Données expérimentales
  Figure 2 - Des moyens d’essais en hydrodynamique, à vocation académique et industrielle Figure 3 - Essais de choc à l’échelle, réalisé le 16 juillet 2021 par la marine étatsunienne sur le porte-avion USS Gerald R. Ford (source : U.S. Navy/Photo : Jackson Adkins)
• 2.2 - Modèles analytiques
  Figure 4 - Calcul du déplacement et de la contrainte dans une coque immergée assujettie à une onde de pression (d'après [BM 5 206])
• 2.3 - Simulations numériques

  • Quiz d'entraînement

  • Quiz d'entraînement
  Figure 5 - Modèle éléments finis du ferry Terevau Piti (source : © Mauric – Principia) Figure 6 - Résultat d’un calcul statique par la méthode des éléments finis (source : © Mauric – Principia) Figure 7 - Exemple de dispersion constatée sur des caractéristiques de matériaux viscoélastiques : superposition des courbes maîtresses du module de cisaillement d’un matériau élastomère à la température de référence pour quatre séries de mesure (d'après [44]) Figure 8 - Simulation de la corrosion à l’échelle locale (d'après [42]) Figure 9 - Modélisation d’un système de protection de la corrosion pour une coque de navire (source : image réalisée avec le code COMSOL Multiphysics®) Figure 10 - Simulation numérique du soudage sur un joint en T (source : Florent Bridier/Naval Group) Figure 11 - Simulation numérique du soudage sur panneau de pont (source : Florent Bridier/Naval Group) Figure 12 - Exemple de calcul de fonction de Green (source : Gilles Serre/Naval Group) Figure 13 - Exemple de simulation numérique de l’effet d’une onde de choc sur un élément de sous-marin (source : Mavaleix, 2020) Figure 14 - Exemple de maillage volumes finis d’un domaine fluide réel : hélice immergée (source : STARCCM+) Figure 15 - Cellule élémentaire en monodimensionnel Figure 16 - Optimisation de forme de carène par simulation numérique (source : Pol Muller/Sirehna) Tableau 1

3 - L’amélioration continue des méthodes numériques

• 3.1 - Modélisation des interactions fluide/structure

  • Quiz d'entraînement
  Figure 17 - Méthodes générales de simulation des IFS classées selon la nature du couplage et celle de l’écoulement de fluide (d'après [BM 5 199]) Figure 18 - Modèle éléments finis d’une hélice immergée dans un fluide « infini » (d'après [27]) Figure 19 - Simulation de l’hydrodynamique d’un navire sur houle avec une technique de co-simulation (d'après [66] [67]) Figure 20 - Principe du couplage de codes CSD/CFD : exemple sur une hélice déformable (d'après [REX 36]) Figure 21 - Simulation de la nage d’un poisson utilisant une méthode arbitraire lagrange-euler (source : Alban Leroyer, École centrale de Nantes) Figure 22 - Exemple de stratégies de couplage de codes CSD/CFD : algorithme « décalé » Figure 23 - Exemple de stratégies de couplage de codes CSD/CFD : algorithme « itéré » Figure 24 - Coefficient de relaxation à appliquer dans un algorithme de couplage itératif afin d’en assurer la stabilité (d'après [68]) Figure 25 - Modèle numérique d’un navire avec ailerons stabilisateurs (d'après [68]) Figure 26 - Simulation de tenue à la houle (d'après [69]) Tableau 2 Tableau 3
• 3.2 - Méthodes spécifiques
  Figure 27 - Exemple d’utilisation de la méthode SPH en mécanique des structures et des fluides Figure 28 - Domaine support d’une particule Figure 29 - Simulation du déferlement d'une vague sur une frégate avec méthode SPH (source : Erwan Jacquin) Figure 30 - Simulation LBM de l’instabilité de Rayleigh-Taylor (source : laboratoire DynFluid)

4 - Enjeux d’innovation

• 4.1 - Améliorer la précision des modèles

  • Quiz d'entraînement
  Figure 31 - Calcul d’écoulement avec résolution directe (DNS) pour une pale d’hélice (source : Antoine Ducoin, École centrale de Nantes) Figure 32 - Répartition de l’énergie d’un écoulement turbulent selon la taille des échelles turbulentes Figure 33 - Calcul d’écoulement avec modélisation et résolution de la turbulence (RANS et LES) sur un profil portant (source : Jean-Jacques Maisonneuve, Sirehna) Figure 34 - Exemple de simulation LES pour un profil portant (source : Cédric Leblond, Naval Group)
• 4.2 - Réduire les temps de calcul

  • Quiz d'entraînement
  Figure 35 - Vers des outils de calculs polyvalents sur support légers Figure 36 - Un algorithme de calcul d’une base réduite pour évaluer la réponse vibroacoustique stochastique (d'après [27]) Figure 37 - Réponse en fréquence type incluant la dépendance paramétrique dans une solution vibroacoustique représentée en variable séparée (d'après [50] [51]) Figure 38 - Calcul de modes POD : exemple pour un écoulement autour d’un profil portant (d'après [55])
• 4.3 - Hybrider la simulation numérique et l’analyse de données
  Figure 39 - Simulation numérique et apprentissage machine Figure 40 - Applications principales de l’apprentissage machine à la simulation CFD Figure 41 - Recherche de modèles de turbulence à l’aide de réseaux de neurones et comparaison avec les simulations numériques directes, exemple du calcul d’une composante du tenseur de Reynolds (d'après [22]) Figure 42 - Exemple de calcul CFD quantique sur un hydrofoil en écoulement non visqueux (d'après [72]) Tableau 4

5 - Conclusion

6 - Glossaire

7 - Sigles, notations et symboles